探究土木工程智能健康監測與診斷系統

摘 要：近些年來，隨著建筑行業的快速發展，我國城鎮建筑的數量也不斷增加，其中有很多幾十年前的建筑如今已經進入了中老年階段，在使用功能等方面出現了不同程度的損傷，有很多甚至需要采取必要的加固措施之后才能繼續使用。對于已經建成并且投入使用的建筑物的健康狀況進行監測，需要科學的監測技術才能實現，而土木工程智能健康監測與診斷系統的運用，已經受到了廣泛的關注，基于此，本文就主要針對智能健康監測與診斷系統的相關問題進行簡單的分析。

關鍵詞：土木工程 智能健康監測與診斷 監測系統

通過科學的監測手段對已有的土木工程結構進行健康檢驗與診斷，對其安全狀況進行全面的評價，不僅能夠為建筑結構的修復和控制提供必要的參考，同時也能為新的建筑結構的設計總結一定的經驗和教訓，因此，對于如何有效的實現對土木工程結構的健康監測已經成為了建筑行業關注的重點課題。健康監測與診斷系統的運用，能夠對土木工程結構的損傷情況進行全面的評價，對結構應變、加速度、位移等參數進行確定，能夠較早的發現損傷，采取有效的處理措施，防止其擴散。同時，由于土木工程結構通常較為復雜，影響結構性能的因素也十分多樣，所以對其監測與診斷方面也比普通的監測工作要復雜的多。筆者認為，對于土木工程智能健康監測與診斷系統的研究，需要從以下三方面進行。

一、智能傳感元件

對于土木工程所進行的健康監測，就是通過將性能穩定的傳感元件埋入或者粘貼到工程結構中，來獲得土木工程結構安全狀況的實時監測，能夠及時獲得準確而全面的數據，以此來對工程結構的安全性和耐久性進行評價。土木工程結構通常都處在較為惡劣的環境中，因此對于傳感元件來說，必須要具有足夠的穩定性和耐久性，而且對于不同的監測要求應當具有一定的兼容性，才能滿足監測的需要。當前，在智能傳感材料方面，已經有如光纖、壓電材料、碳纖維等多種類型，為土木工程的健康監測提供了堅實的基礎。如今這些智能材料已經在航空、機械等多個領域獲得了廣泛的應用，并且取得了一定的成果。

1.對于土木工程結構進行短期監測，可以通過智能材料來實現，而其中技術較為成熟的是電阻應變絲的運用，其不僅技術較為成熟，而且對使用設備的要求較低，但是在穩定性方面卻稍差，容易受到外部因素的干擾。

2.要實現長期的監測，光纖是較為理想的材料。雖然其對于外部設備有著更高的要求，但是其在使用的過程中具有很強的穩定性和抗干擾性，在土木工程監測方面也受到了較多的關注。

3.疲勞壽命絲用來對土木工程結構的壽命和健康狀況進行評估是最為理想的材料，因為其具有記錄損傷積累的功能。

4.為了在監測的過程中進行較好的效果，需要對其進行一定的壓力施加，在這種情況下，形狀記憶合金的應用就最為理想，其不僅具有傳感的功能，同時也具有驅動的功能。

二、信號智能處理

在土木工程結構的健康監測過程中會產生很多參數，如應變、加速度、速度、旋轉燈，同時由于很多大型結構需要布置較多的監測點，所以需要使用盡可能多的傳感器，在不同的傳感器設置方面也由于需要不同的監測參數而存在著一定的差異，特別是對于傳感器的監測信號差異，所以就會產生一些問題，如同時使用多個傳感器會形成多個不同的通道和信號，而在同一信號的信道內也會形成具有不同特征的信息，這時對于監測結果的準確性就會產生一定的影響。近些年來，如何通過對傳感器的有效利用來增強信號的穩定性已經成為了人們廣泛關注的問題，而越來越先進的傳感器融合技術也增強了智能健康監測與診斷系統的綜合處理能力，從而為土木工程結構的健康監測問題提供更多的技術支撐。多個傳感器相互融合的主要原理在于對多個傳感器資源進行科學的搭配和合租，以此來形成不同的傳感器空間，在不同的空間之間實現有效的互補，便能夠對監測對象實現一致的描述，從而保證監測結果的準確性。信號處理的核心內容在于對信息的收集和處理，對于土木工程健康監測來說，其核心內容就是對土木工程結構損傷特征的信息進行提取，然后利用信號處理方法對各個傳感器的信息進行智能處理，通過數據融合理論對各種信息進行處理之后，便可以將其作為對結構安全評價的依據。

三、健康診斷與安全評定

對于土木工程結構的健康診斷與安全評價一般可以分為局部和整體兩個部分。局部診斷與評價所針對的是結構中的構件，也就是通常意義上的無損檢測與評價，這方面的技術當前已經較為成熟，而且涉及到建筑工程領域的各個方面，如X射線法、超聲回彈法、硬度測試法、渦流法、磁粉法、同位素法等都是當前使用的較為廣泛的檢測方法。雖然這些監測方法的實施需要較高的成本，對于有些建筑結構的特殊部位可以實現較高的測量標準，所以其仍然是可行的。整體診斷與評價則主要是針對土木工程結構的特性參數進行監測，如建筑物的頻率、振型等等，通過對相關參數的變化情況進行監測，能夠對工程整體的健康狀況進行評價。當前，在整體健康診斷與評價方面使用的較多的方法有以下幾種：

1.模型修正法。主要是利用有限元模型修正的原理，對于已經得到的數據進行再現測量，同時根據修正的模型對其準確性和安全性進行測定，這種方法雖然操作簡單，但是在數據的準確性方面卻不高。

2.對比法。利用對比法主要是通過一組假設的損傷情況，將其與結構的真實測量結果進行對比，數據最為接近的情況則最可能是土木結構損傷的位置，運用這種方法需要進行大量的準備工作，而且費用較高，所以應用的不多。

3.神經網絡方法。融合自動控制、數理統計、計算機技術、以及相應的識別方法，通過神經網絡的系統辨識原理，充分利用其自適應、自反饋、自學習功能、以實驗模態測試為手段，輸入模態參數，運算處理得到損傷的位置，并對結構進行評價。由于神經網絡的容錯性好，對輸入參數的準確性要求不高，因此，其前景比較看好。

4.專家系統法。其主要是通過對專家解決土木工程健康診斷的思路和方法進行模擬，通過計算機系統將所有的模擬方法進行整合，通過包含大量專家意見的計算機系統來實現對土木結構健康的監測與診斷，并且能夠及時有效的做出判斷，解決實際問題。專家系統診斷方法準確性高，而且受外部歡迎的影響較小，所以也受到了廣泛的關注。但是由于其開發費用較高，因此在投入使用方面也仍然需要全面的考慮。

結束語：

在現代建筑工程事業不斷發展的過程中，土木工程結構是其中一項重要的內容，也是影響建筑結構安全性的主要因素。土木結構在使用的過程中，會不同程度的受到來自外部環境、自身荷載等多種因素的影響而產生損傷，導致其抗力減弱，因此必須要通過及時、有效的健康診斷方法對其安全性進行測量，從而判斷其健康狀況，采取有針對性的處理措施，提高土木結構的安全性。也可以書，土木工程智能健康監測與診斷系統的研究與發展對于現代建筑事業的發展有著十分重要的推動意義。

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